Устройство для электропорации клеток

Технологии генной модификации клеток требуют создания приборов, доступных исследователям как по цене, так и по надежности получения модифицированного материала и удобству работы с ними. К таким технологиям относится электрослияние для стимулируемого слияния клеток [1], а также технологии врéменного расширения пор на мембране клетки для введения в клетку макромолекул (ДНК, белки, антитела, красители) — электропорация.

Технология электропорации заключается в том, что на клетки, находящиеся в растворе, содержащем вводимые макромолекулы, накладывается высоковольтное электрическое поле на короткий период времени (от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд), при этом поры в мембране клетки открываются и остаются открытыми до 30 с, что достаточно для проникновения в клетку вводимого материала. Схематически это показано на рис. 1. Энергия воздействия определяется амплитудой и длительностью электрического импульса и зависит от электрических и механических характеристик клеточной мембраны.

Приборы для электропорации выпускает ряд зарубежных фирм [3, 4], в России подобной аппаратуры не выпускается.

В Институте биологического приборостроения РАН (ИБП РАН) разработан и изготовлен прибор для электропорации клеток (электропоратор) с параметрами, обеспечивающими работу с широким набором биологических объектов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОПОРАТОРА

Электропоратор (рис. 2) состоит из двух конструктивно независимых электрически связанных частей — контроллера и камеры.

Рис. 1. Принцип электропорации

Рис. 2. Электропоратор

Контроллер

Рис. 3. Блок-схема электропоратора

Контроллер (рис. 3) содержит 5 модулей: источник питания прибора 1, высоковольтный регулируемый источник 2, микропроцессорный модуль 3, модуль управления и индикации 4 и формирователь импульсов 5.

Модуль 1 питается от сети 220 В, 50 Гц и формирует все напряжения для модулей 3, 4 и 5. Модуль 2 предназначен для получения высоких напряжений электропорации, плавно регулируемых от 50 до 3000 В при максимальной мощности до 200 ВА.

Учитывая, что длительности относительно низковольтных импульсов (до 500 В) должны быть существенно больше длительности высоковольтных (от 500 до 3000 В), нами предусмотрены в приборе два выхода на камеру слияния — высоковольтный Н и низковольтный L.

Микропроцессорный модуль 3 управляется микроконтроллером Atmega и формирует все необходимые длительности выходных импульсов, их число и паузу между ними и измеряет их амплитуду, отображая всю эту информацию на ЖКИ модуля 4. Все необходимые установки для модуля 3 задаются кнопками управления модуля 4.

Формирователь импульсов 5 формирует электрические сигналы, необходимые для процесса электропорации: одиночный импульс или серию импульсов в двух диапазонах. В 1-м диапазоне амплитуда импульсов от 100 до 500 В при длительности от 300 мкс до 99 мс — выход L. Во 2-м диапазоне амплитуда импульсов от 500 до 3000 В длительностью от 5 до 99 мкс — выход H. Число импульсов от1 до 99. После окончания серии импульсов раздается звуковой сигнал. Выходные каскады модуля выполнены на мощных высоковольтных транзисторах MOSFET.

Камера для электропорации (рис. 2) выполнена на стандартной стеклянной чашке Петри диаметром 90 мм. Электроды из нержавеющей стали собраны так, чтобы обеспечить наибольшую равномерность электрического поля. Расстояние между электродами можно изменять с шагом 2 мм. Обеспечена полная безопасность от поражения электрическим током.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ИБП РАН разработан комплект технической документации для изготовления электропоратора, изготовлены образцы и проведены испытания на соответствие требованиям технического задания. Предполагается выпуск малой серии прибора.